0 引言

    汽車(chē)輕量化設(shè)計(jì)可提高動(dòng)力性、降低油耗、減少污染，是節(jié)能減排的重要措施之一。薄壁件(如正時(shí)罩蓋、油底殼、氣門(mén)室罩蓋等)是發(fā)動(dòng)機(jī)表面振動(dòng)輻射的主要噪聲源，其中油底殼是薄壁件的典型代表，其輻射噪聲約占整機(jī)噪聲的四分之一。近年來(lái)各研究部門(mén)在對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)薄壁件通過(guò)改進(jìn)結(jié)構(gòu)降低輻射噪聲方面做了很多工作，比如北方發(fā)動(dòng)機(jī)研究所的胡定云等對(duì)油底殼進(jìn)行模態(tài)計(jì)算，從薄壁件固有頻率入手通過(guò)加筋的方式優(yōu)化其結(jié)構(gòu)剛度，長(zhǎng)安汽車(chē)張磊等根據(jù)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)薄壁件測(cè)試結(jié)果，通過(guò)弱點(diǎn)分析對(duì)油底殼進(jìn)行局部和加強(qiáng)筋優(yōu)化，中北大學(xué)張光炯等在油底殼結(jié)構(gòu)確定的情況下對(duì)油底殼拓?fù)鋬?yōu)化，根據(jù)優(yōu)化結(jié)果的密度閥值大小而增減油底殼的壁厚尺寸。

    本文依據(jù)整機(jī)振動(dòng)仿真模型獲取油底殼連接螺栓傳遞的激勵(lì)，對(duì)油底殼進(jìn)行基于NVH計(jì)算激勵(lì)的結(jié)構(gòu)優(yōu)化分析，通過(guò)拓?fù)鋬?yōu)化和形貌優(yōu)化得到油底殼的材料布局及結(jié)構(gòu)形狀，最終達(dá)到減重和降噪的目的，為發(fā)動(dòng)機(jī)薄壁件的設(shè)計(jì)提供了有效的指導(dǎo)方法。油底殼的優(yōu)化流程如圖1所示。

    圖1 油底殼優(yōu)化流程

    1 頻響分析

    研究表明，結(jié)構(gòu)表面輻射噪聲的聲功率與表面振動(dòng)功率如關(guān)系公式(2)，而表面振動(dòng)功率與介質(zhì)阻抗特性、振動(dòng)表面積、振動(dòng)速度有關(guān)。介質(zhì)阻抗取決于介質(zhì)密度和傳播速度，振動(dòng)表面積受發(fā)動(dòng)機(jī)布置影響，對(duì)于確定的發(fā)動(dòng)機(jī)一般可認(rèn)為前兩項(xiàng)是常值，因此薄壁件設(shè)計(jì)可通過(guò)限制振動(dòng)速度來(lái)控制結(jié)構(gòu)表面輻射噪聲。用振動(dòng)速度的均方根表示表面輻射噪聲，有振動(dòng)功率公式：

    頻響分析是計(jì)算結(jié)構(gòu)在穩(wěn)態(tài)振動(dòng)激勵(lì)下的響應(yīng)。在頻響分析中，激勵(lì)載荷在頻域中顯式定義，對(duì)應(yīng)于每一個(gè)加載頻率的外載都是已知的，外載可以是力或者強(qiáng)迫運(yùn)動(dòng)，頻響分析得出的結(jié)果通常是節(jié)點(diǎn)位移、速度、加速度。使用模態(tài)疊加法進(jìn)行頻響分析，一般多自由度系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)問(wèn)題的基本方程為：

    其中：[M]—系統(tǒng)質(zhì)量矩陣，[C]一系統(tǒng)阻尼矩陣，[K]—系統(tǒng)剛度矩陣，{F(t)}—激勵(lì)力，{x}—系統(tǒng)位移向量。給定某一狀態(tài)下的激勵(lì)力，求解動(dòng)力學(xué)方程即可得出相應(yīng)的加速度、速度、位移響應(yīng)，經(jīng)過(guò)傅里葉變換可得到頻域上的動(dòng)力學(xué)響應(yīng)。

    發(fā)動(dòng)機(jī)激勵(lì)載荷通過(guò)薄壁件的安裝螺栓傳遞，載荷提取一般有兩種途徑:一是通過(guò)NVH測(cè)試獲得實(shí)測(cè)激勵(lì)，二是通過(guò)整機(jī)NVHCAE計(jì)算獲得仿真激勵(lì)。本次分析采用第二種方法，在全速全負(fù)荷工況下，對(duì)關(guān)注的頻率范圍內(nèi)進(jìn)行分析。參考NVH測(cè)試傳感器的布置位置取做頻響分析的振動(dòng)響應(yīng)點(diǎn)，通過(guò)分析得到響應(yīng)點(diǎn)的振動(dòng)速度曲線。圖2為油底殼原始設(shè)計(jì)方案的各側(cè)響應(yīng)點(diǎn)振動(dòng)速度曲線。

    圖2 油底殼原始方案的各側(cè)響應(yīng)點(diǎn)振動(dòng)速度曲線

    2 薄壁件優(yōu)化

    2.1 拓?fù)鋬?yōu)化

    拓?fù)鋬?yōu)化是在給定的設(shè)計(jì)空間內(nèi)尋求最佳材料分布，其設(shè)計(jì)變量是模型區(qū)域內(nèi)單元的相對(duì)密度，優(yōu)化結(jié)果的材料分布根據(jù)密度閥值確定，密度大于指定閥值會(huì)顯示有材料，小于閥值則無(wú)材料。根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)布置要求，油底殼內(nèi)腔需要避讓機(jī)油泵、吸油器、機(jī)油隔板的安裝空間。油底殼的密封法蘭及螺栓安裝位置均在設(shè)計(jì)前已確定，因此避讓內(nèi)腔零件安裝后的剩余空間作為設(shè)計(jì)域，密封法蘭和螺栓孔作為非設(shè)計(jì)域，油底殼設(shè)計(jì)空間如圖3所示。

    圖3 油底殼設(shè)計(jì)空間

    結(jié)合設(shè)計(jì)空間模型，油底殼拓?fù)鋬?yōu)化采用數(shù)學(xué)表達(dá)如下：

    其中：

    x一設(shè)計(jì)變量，Mass(x)—優(yōu)化后重量，Vk(x)—各響應(yīng)點(diǎn)振動(dòng)速度，A一振動(dòng)速度限值，B一重量限值，Tj(x)—加強(qiáng)筋厚度，C、D一加強(qiáng)筋厚度限值。

    優(yōu)化技術(shù)得到推廣還需考慮制造加工性，若現(xiàn)有工藝條件下不能被加工，或加工成本很高的優(yōu)化結(jié)果，沒(méi)有任何實(shí)用價(jià)值。因此優(yōu)化中還考慮了控制結(jié)構(gòu)成員尺寸大小，內(nèi)、外腔拔模等制造工藝約束。綜合以上因素，經(jīng)過(guò)多次迭代計(jì)算收斂，獲得可行設(shè)計(jì)方案，優(yōu)化結(jié)果密度閥值取0.3,拓?fù)鋬?yōu)化結(jié)果如圖4所示。

    圖4 油底殼拓?fù)鋬?yōu)化過(guò)程

    根據(jù)拓?fù)鋬?yōu)化結(jié)果對(duì)油底殼加強(qiáng)筋布置位置和形狀進(jìn)行提取并二次設(shè)計(jì)，加強(qiáng)筋的布置位置及截面形狀是增加結(jié)構(gòu)剛度的重要手段，建議截面盡可能設(shè)計(jì)為凸弧形或梯形，減少凹弧形或三角形，便于提高側(cè)壁面的剛度。加強(qiáng)筋截面形狀如圖5所示。

    圖5 加強(qiáng)筋截面形狀

    2.2 形貌優(yōu)化

    形貌優(yōu)化由設(shè)定的起筋高度、寬度等參數(shù)，在可設(shè)計(jì)域中根據(jù)節(jié)點(diǎn)擾動(dòng)生成薄壁結(jié)構(gòu)的強(qiáng)化壓痕，用于提高結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、剛度等要求，優(yōu)化過(guò)程不刪除材料。因油底殼底面結(jié)構(gòu)平而大，易向外輻射噪聲，需在拓?fù)鋬?yōu)化基礎(chǔ)上，對(duì)油底殼底部再進(jìn)行形貌優(yōu)化，增加其底部剛度。優(yōu)化目標(biāo)使底面一階頻率最大，底部形貌優(yōu)化結(jié)果如圖6所示。

    圖6 油底殼底部形貌優(yōu)化

    3 優(yōu)化模型分析對(duì)比

    薄壁件的質(zhì)量、剛度相對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸箱較小，其結(jié)構(gòu)上的局部變化對(duì)箱體傳遞過(guò)來(lái)的振動(dòng)激勵(lì)影響不大，油底殼優(yōu)化設(shè)計(jì)前后的方案對(duì)比如圖7所示。優(yōu)化后油底殼減重約l00g，油底殼振動(dòng)響應(yīng)點(diǎn)處的振動(dòng)速度相比優(yōu)化前有不同程度的降低，振動(dòng)速度曲線對(duì)比結(jié)果如圖8所示，各項(xiàng)性能指標(biāo)改善對(duì)比如表1所示。

    圖7 油底殼優(yōu)化前后設(shè)計(jì)對(duì)比

    圖8 油底殼優(yōu)化前后響應(yīng)點(diǎn)振動(dòng)速度對(duì)比

    表1 優(yōu)化后各性能指標(biāo)改善情況

    4 結(jié)論

    本文從減重與降噪兩對(duì)立面考慮，結(jié)合結(jié)構(gòu)振動(dòng)理論及優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，對(duì)薄壁件進(jìn)行頻響分析和優(yōu)化設(shè)計(jì)，最終達(dá)到減重、降噪的目的。分析結(jié)論如下：

    (1)薄壁件作為發(fā)動(dòng)機(jī)表面輻射的主要噪聲源，可以通過(guò)改善結(jié)構(gòu)剛度，控制結(jié)構(gòu)表面的振動(dòng)速度有效控制表面輻射噪聲；

    (2)采用振動(dòng)理論及優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，對(duì)薄壁件進(jìn)行頻響分析和優(yōu)化設(shè)計(jì)，使得優(yōu)化后的油底殼重量相比原方案減輕，同時(shí)各壁面的振動(dòng)速度比原方案有明顯的降低；

    (3)通過(guò)采用拓?fù)鋬?yōu)化和形貌優(yōu)化技術(shù)，為發(fā)動(dòng)機(jī)薄壁件的設(shè)計(jì)提供了有效的指導(dǎo)方法。

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